Hur fungerar en transistor i en krets? Grundläggande elektronik för dummies: Vad är en transistor och hur den fungerar

Transistor(transistor) - ett halvledarelement med tre terminaler (vanligtvis), varav en ( samlare) en stark ström tillförs, och den andra ( bas) serveras svag ( styrström). Vid en viss styrka av styrströmmen är det som om en ventil "öppnar" och strömmen från samlaren börjar rinna på tredje utgång ( utsändare).

Det vill säga en transistor är ett slags ventil, som vid en viss strömstyrka kraftigt minskar motståndet och skickar strömmen vidare (från kollektorn till sändaren).Detta händer för att under vissa förhållanden tappar hål som har en elektron den, accepterar en ny osv. i en cirkel. Om ingen elektrisk ström appliceras på basen kommer transistorn att vara i ett balanserat tillstånd och kommer inte att skicka ström till emittern.

I moderna elektroniska chips, antalet transistorer siffror i miljarder. De används främst för beräkningar och består av komplexa samband.

Halvledarmaterial som huvudsakligen används i transistorer är: kisel, galliumarsenid Och germanium. Det finns också transistorer kolnanorör, transparent för skärmar LCD Och polymer(den mest lovande).

Typer av transistorer:

Bipolär– transistorer där laddningsbärare kan vara både elektroner och "hål". Ström kan flyta som mot sändaren, alltså mot samlaren. För att styra flödet används vissa styrströmmar.

– utbredda anordningar där det elektriska flödet styrs genom ett elektriskt fält. Det vill säga när ett större fält bildas fångas fler elektroner av det och kan inte överföra laddningar vidare. Det vill säga, detta är en sorts ventil som kan ändra mängden överförd laddning (om fälteffekttransistorn styrs p—n— övergång). En utmärkande egenskap hos dessa transistorer är deras höga inspänning och höga spänningsförstärkning.

Kombinerad– transistorer med kombinerade resistorer eller andra transistorer i ett hus. De tjänar till olika syften, men främst för att öka strömvinsten.

Undertyper:

Biotransistorer– baseras på biologiska polymerer som kan användas inom medicin och bioteknik utan att skada levande organismer. Studier har utförts på metalloproteiner, klorofyll A (som härrör från spenat) och tobaksmosaikvirus.

Enkelelektrontransistorer– skapades först av ryska forskare i 1996. De kunde arbeta i rumstemperatur, till skillnad från sina föregångare. Funktionsprincipen liknar en fälteffekttransistor, men mer subtil. Signalsändaren är en eller flera elektroner. Denna transistor kallas också en nano- och kvanttransistor. Med hjälp av denna teknik hoppas de i framtiden kunna skapa transistorer med en storlek mindre än 10 nm, baserat grafen.

Vad används transistorer till?

Transistorer används i förstärkningskretsar, lampor, elektriska motorer och andra anordningar där snabba förändringar i ström eller position krävs påav. Transistorn kan begränsa strömmen eller mjukt, eller enligt metod puls—paus. Den andra används oftare för -kontroll. Med hjälp av en kraftfull strömkälla leder den den genom sig själv och reglerar den med en svag ström.

Om strömmen inte räcker för att slå på transistorkretsen, använd sedan flera transistorer med större känslighet, kopplade på ett kaskadsätt.

Kraftfulla transistorer kopplade i ett eller flera paket används i helt digitala förstärkare baserade på. De behöver ofta ytterligare kylning. I de flesta system fungerar de i nyckelläge(i växlingsläge).

Transistorer används också i kraftsystem, både digitala och analoga ( moderkort, grafikkort, Nätaggregat&etc).

Central processorer, består också av miljoner och miljarder transistorer, anslutna i en viss ordning för specialiserade beräkningar.

Varje grupp av transistorer kodar signalen på ett visst sätt och sänder den vidare för bearbetning. Alla typer och ROM minnen består också av transistorer.

Allt mikroelektronikens prestationer skulle vara praktiskt taget omöjlig utan uppfinning och användning av transistorer. Det är svårt att föreställa sig minst en elektronisk enhet utan minst en transistor.

De nödvändiga förklaringarna har getts, låt oss komma till saken.

Transistorer. Definition och historia

Transistor- en elektronisk halvledaranordning där strömmen i en krets med två elektroder styrs av en tredje elektrod. (transistors.ru)

Fälteffekttransistorer var de första som uppfanns (1928), och bipolära transistorer dök upp 1947 på Bell Labs. Och det var, utan att överdriva, en revolution inom elektronik.

Mycket snabbt ersatte transistorer vakuumrör i olika elektroniska enheter. I detta avseende har tillförlitligheten hos sådana enheter ökat och deras storlek har minskat avsevärt. Och till denna dag, oavsett hur "sofistikerad" mikrokretsen är, innehåller den fortfarande många transistorer (liksom dioder, kondensatorer, motstånd, etc.). Bara väldigt små.

Förresten, initialt var "transistorer" motstånd vars motstånd kunde ändras med hjälp av mängden applicerad spänning. Om vi bortser från processernas fysik, så kan en modern transistor också representeras som ett motstånd som beror på signalen som tillförs den.

Vad är skillnaden mellan fälteffekt och bipolära transistorer? Svaret ligger i själva namnen. I en bipolär transistor innebär laddningsöverföring Och elektroner, Och hål ("encore" - två gånger). Och i fält (aka unipolär) - eller elektroner, eller hål.

Dessa typer av transistorer skiljer sig också åt i applikationsområden. Bipolära sådana används främst i analog teknik och fält - i digital teknik.

Och slutligen: huvudapplikationsområdet för alla transistorer- förstärkning av en svag signal på grund av en extra strömkälla.

Bipolär transistor. Funktionsprincip. Huvuddragen

En bipolär transistor består av tre regioner: emitter, bas och kollektor, som var och en matas med spänning. Beroende på typen av konduktivitet för dessa områden särskiljs n-p-n och p-n-p transistorer. Vanligtvis är kollektorområdet bredare än emitterområdet. Basen är gjord av en lätt dopad halvledare (det är därför den har hög resistans) och är gjord mycket tunn. Eftersom emitter-baskontaktytan är betydligt mindre än bas-kollektorkontaktarean, är det omöjligt att byta emitter och kollektor genom att ändra anslutningens polaritet. Således är transistorn en asymmetrisk anordning.

Innan vi överväger fysiken för hur en transistor fungerar, låt oss skissera det allmänna problemet.

Det är som följer: en stark ström flyter mellan emittern och kollektorn ( samlarström), och mellan sändaren och basen finns en svag styrström ( basström). Kollektorströmmen kommer att ändras beroende på förändringen i basströmmen. Varför?
Låt oss betrakta transistorns p-n-övergångar. Det finns två av dem: emitter-bas (EB) och bas-kollektor (BC). I transistorns aktiva driftläge är den första av dem ansluten till framåtförspänning och den andra med omvänd förspänning. Vad händer vid p-n-korsningarna? För större säkerhet kommer vi att överväga en n-p-n-transistor. För p-n-p är allt liknande, bara ordet "elektroner" behöver ersättas med "hål".

Eftersom EB-övergången är öppen "springer" elektroner lätt över till basen. Där kombineras de delvis med hål, men O De flesta av dem, på grund av den lilla tjockleken på basen och dess låga doping, lyckas nå bas-kollektorövergången. Vilket, som vi minns, är omvänt partisk. Och eftersom elektroner i basen är minoritetsladdningsbärare, hjälper övergångens elektriska fält dem att övervinna det. Kollektorströmmen är alltså endast något mindre än emitterströmmen. Akta dina händer nu. Om du ökar basströmmen kommer EB-övergången att öppnas starkare, och fler elektroner kommer att kunna glida mellan emittern och kollektorn. Och eftersom kollektorströmmen initialt är större än basströmmen kommer denna förändring att vara mycket, mycket märkbar. Således, den svaga signalen som tas emot vid basen kommer att förstärkas. Återigen är en stor förändring i kollektorström en proportionell reflektion av en liten förändring i basström.

Jag minns att principen för driften av en bipolär transistor förklarades för min klasskamrat med hjälp av exemplet med en vattenkran. Vattnet i den är kollektorströmmen, och basstyrströmmen är hur mycket vi vrider på vredet. En liten kraft (kontrollåtgärd) räcker för att öka vattenflödet från kranen.

Förutom de övervägda processerna kan ett antal andra fenomen inträffa vid transistorns p-n-övergångar. Till exempel, med en kraftig ökning av spänningen vid bas-kollektorövergången, kan lavinladdningsmultiplikationen börja på grund av stötjonisering. Och i kombination med tunneleffekten ger detta först ett elektriskt genombrott och sedan (med ökande ström) ett termiskt genombrott. Emellertid kan termiskt genombrott i en transistor inträffa utan elektriskt genomslag (dvs utan att kollektorspänningen ökar till genombrottsspänning). En för hög ström genom kollektorn räcker för detta.

Ett annat fenomen beror på det faktum att när spänningarna på kollektor- och emitterövergångarna ändras, ändras deras tjocklek. Och om basen är för tunn, kan en stängningseffekt uppstå (den så kallade "punktionen" av basen) - en förbindelse mellan kollektorövergången och emitterövergången. I detta fall försvinner basområdet och transistorn slutar fungera normalt.

Transistorns kollektorström i transistorns normala aktiva driftläge är större än basströmmen ett visst antal gånger. Detta nummer kallas strömförstärkning och är en av transistorns huvudparametrar. Det är utpekat h21. Om transistorn slås på utan belastning på kollektorn, kommer förhållandet mellan kollektorströmmen och basströmmen vid en konstant kollektor-emitterspänning att ge statisk strömförstärkning. Det kan vara lika med tiotals eller hundratals enheter, men det är värt att överväga det faktum att i verkliga kretsar är denna koefficient mindre på grund av det faktum att när belastningen slås på, minskar kollektorströmmen naturligt.

Den andra viktiga parametern är transistorns ingångsresistans. Enligt Ohms lag är det förhållandet mellan spänningen mellan basen och emittern och basens styrström. Ju större den är, desto lägre basström och desto högre förstärkning.

Den tredje parametern för en bipolär transistor är spänningsförstärkning. Det är lika med förhållandet mellan amplituden eller effektiva värden för utgången (emitter-kollektor) och ingång (bas-emitter) växelspänningar. Eftersom det första värdet vanligtvis är mycket stort (enheter och tiotals volt), och det andra är mycket litet (tiondelar av volt), kan denna koefficient nå tiotusentals enheter. Det är värt att notera att varje basstyrsignal har sin egen spänningsförstärkning.

Transistorer har också frekvenssvar, som kännetecknar transistorns förmåga att förstärka en signal vars frekvens närmar sig gränsfrekvensen för förstärkning. Faktum är att när frekvensen på insignalen ökar, minskar förstärkningen. Detta beror på det faktum att tidpunkten för förekomsten av de huvudsakliga fysiska processerna (tiden för rörelse av bärare från sändaren till kollektorn, laddningen och urladdningen av kapacitiva barriärövergångar) blir proportionerlig med ändringsperioden för ingångssignalen . De där. transistorn har helt enkelt inte tid att reagera på förändringar i insignalen och slutar vid något tillfälle helt enkelt att förstärka den. Frekvensen med vilken detta händer kallas gräns.

Parametrarna för den bipolära transistorn är också:

omvänd strömkollektor-emitter
i tid
omvänd kollektorström
maximalt tillåten ström

Symbolerna för n-p-n- och p-n-p-transistorer skiljer sig endast i riktningen för pilen som indikerar emittern. Den visar hur ström flyter i en given transistor.

Driftlägen för en bipolär transistor

Alternativet som diskuterats ovan representerar det normala aktiva driftsättet för transistorn. Det finns emellertid flera fler kombinationer av öppna/stängda p-n-övergångar, som var och en representerar ett separat driftsätt för transistorn.

Omvänt aktivt läge. Här är BC-övergången öppen, men tvärtom är EB stängd. Förstärkningsegenskaperna i detta läge är naturligtvis sämre än någonsin, så transistorer används mycket sällan i detta läge.
Mättnadsläge. Båda korsningarna är öppna. Följaktligen "springer" de viktigaste laddningsbärarna för uppsamlaren och sändaren till basen, där de aktivt rekombinerar med dess huvudbärare. På grund av det resulterande överskottet av laddningsbärare minskar motståndet hos bas- och p-n-övergångarna. Därför kan en krets som innehåller en transistor i mättnadsläge anses vara kortsluten, och detta radioelement i sig kan representeras som en ekvipotentialpunkt.
Avstängningsläge. Transistorns båda övergångar är stängda, d.v.s. strömmen från huvudladdningsbärarna mellan sändaren och kollektorn stannar. Flöden av minoritetsladdningsbärare skapar endast små och okontrollerbara termiska övergångsströmmar. På grund av basens fattigdom och övergångar med laddningsbärare ökar deras motstånd kraftigt. Därför tror man ofta att en transistor som arbetar i avstängningsläge representerar en öppen krets.
Barriärläge I detta läge är basen direkt eller genom ett lågt motstånd ansluten till kollektorn. Ett motstånd ingår också i kollektor- eller emitterkretsen, som ställer in strömmen genom transistorn. Detta skapar motsvarigheten till en diodkrets med ett motstånd i serie. Det här läget är mycket användbart, eftersom det tillåter kretsen att fungera vid nästan vilken frekvens som helst, över ett brett temperaturområde och inte kräver transistorernas parametrar.

Omkopplingskretsar för bipolära transistorer

Eftersom transistorn har tre kontakter, i allmänhet, måste ström tillföras den från två källor, som tillsammans producerar fyra utgångar. Därför måste en av transistorkontakterna matas med en spänning med samma tecken från båda källorna. Och beroende på vilken typ av kontakt det är, finns det tre kretsar för anslutning av bipolära transistorer: med en gemensam emitter (CE), en gemensam kollektor (OC) och en gemensam bas (CB). Var och en av dem har både fördelar och nackdelar. Valet mellan dem görs beroende på vilka parametrar som är viktiga för oss och vilka som kan offras.

Anslutningskrets med gemensam sändare

Denna krets ger den största vinsten i spänning och ström (och därmed i effekt - upp till tiotusentals enheter), och är därför den vanligaste. Här slås emitter-basövergången på direkt, och bas-kollektorövergången slås på omvänt. Och eftersom både basen och kollektorn matas med spänning av samma tecken, kan kretsen drivas från en källa. I denna krets ändras fasen för den utgående växelspänningen i förhållande till fasen för den ingående växelspänningen med 180 grader.

Men förutom alla godsakerna har OE-systemet också en betydande nackdel. Det ligger i det faktum att en ökning av frekvens och temperatur leder till en betydande försämring av transistorns förstärkningsegenskaper. Således, om transistorn måste arbeta vid höga frekvenser, är det bättre att använda en annan omkopplingskrets. Till exempel med en gemensam bas.

Kopplingsschema med gemensam bas

Denna krets ger ingen signifikant signalförstärkning, men är bra vid höga frekvenser, eftersom den tillåter mer full användning av transistorns frekvenssvar. Om samma transistor ansluts först enligt en krets med en gemensam emitter och sedan med en gemensam bas, kommer det i det andra fallet att bli en betydande ökning av dess gränsfrekvens för förstärkning. Eftersom ingångsimpedansen med en sådan anslutning är låg och utgångsimpedansen inte är särskilt hög, används transistorkaskader sammansatta enligt OB-kretsen i antennförstärkare, där kablarnas karakteristiska impedans vanligtvis inte överstiger 100 Ohm.

I en gemensam baskrets inverteras inte signalfasen och brusnivån vid höga frekvenser reduceras. Men, som redan nämnts, är dess nuvarande vinst alltid något mindre än enhet. Det är sant att spänningsförstärkningen här är densamma som i en krets med en gemensam emitter. Nackdelarna med en gemensam baskrets inkluderar också behovet av att använda två nätaggregat.

Kopplingsschema med gemensam kollektor

Det speciella med denna krets är att ingångsspänningen överförs helt tillbaka till ingången, det vill säga den negativa återkopplingen är mycket stark.

Låt mig påminna dig om att negativ återkoppling är sådan återkoppling där utsignalen matas tillbaka till ingången, och därigenom minskar nivån på insignalen. Således sker automatisk justering när ingångssignalens parametrar av misstag ändras

Strömförstärkningen är nästan densamma som i den gemensamma emitterkretsen. Men spänningsförstärkningen är liten (den största nackdelen med denna krets). Det närmar sig enhet, men är alltid mindre än det. Således är effektvinsten lika med bara några tiotals enheter.

I en gemensam kollektorkrets finns det ingen fasförskjutning mellan in- och utspänningen. Eftersom spänningsförstärkningen är nära enhet, matchar utspänningen ingångsspänningen i fas och amplitud, d.v.s. upprepar den. Det är därför en sådan krets kallas en sändarföljare. Emitter - eftersom utspänningen tas bort från sändaren i förhållande till den gemensamma ledningen.

Denna anslutning används för att matcha transistorsteg eller när insignalkällan har en hög ingångsimpedans (till exempel en piezoelektrisk pickup eller en kondensatormikrofon).

Två ord om kaskader

Det händer att du behöver öka uteffekten (dvs öka kollektorströmmen). I detta fall används parallellanslutning av det erforderliga antalet transistorer.

Naturligtvis bör de ha ungefär samma egenskaper. Men man måste komma ihåg att den maximala totala kollektorströmmen inte bör överstiga 1,6-1,7 av den maximala kollektorströmmen för någon av kaskadtransistorerna.
Men (tack vare Wrewolf för noteringen) rekommenderas detta inte när det gäller bipolära transistorer. Eftersom två transistorer, även av samma typ, är åtminstone något olika varandra. Följaktligen, när de är parallellkopplade, kommer strömmar av olika storlek att flyta genom dem. För att utjämna dessa strömmar installeras balanserade motstånd i transistorernas emitterkretsar. Värdet på deras motstånd beräknas så att spänningsfallet över dem i driftsströmområdet är minst 0,7 V. Det är tydligt att detta leder till en betydande försämring av kretsens effektivitet.

Det kan även finnas behov av en transistor med bra känslighet och samtidigt bra förstärkning. I sådana fall används en kaskad av en känslig men lågeffekttransistor (VT1 i figuren), som styr strömförsörjningen hos en kraftfullare kille (VT2 i figuren).

Andra tillämpningar av bipolära transistorer

Transistorer kan användas inte bara i signalförstärkningskretsar. Till exempel, på grund av det faktum att de kan fungera i mättnads- och cutoff-lägen, används de som elektroniska nycklar. Det är också möjligt att använda transistorer i signalgeneratorkretsar. Om de fungerar i nyckelläget, kommer en rektangulär signal att genereras, och om de är i förstärkningsläget, då en signal med godtycklig form, beroende på kontrollåtgärden.

Märkning

Eftersom artikeln redan har vuxit till en anständigt stor volym kommer jag vid det här laget helt enkelt att ge två bra länkar, som i detalj beskriver de viktigaste märkningssystemen för halvledarenheter (inklusive transistorer): http://kazus.ru/guide/transistors /mark_all .html- och .xls-fil (35 kb).

Användbara kommentarer:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Taggar: Lägg till taggar

Transistor (transistor, engelska) är en triod gjord av halvledarmaterial, med tre utgångar, vars huvudsakliga egenskap är att styra en signifikant ström vid kretsens utgång med en relativt låg insignal. Fälteffekttransistorer används i radiokomponenter från vilka moderna komplexa elektriska enheter är sammansatta. Deras egenskaper gör det möjligt att lösa problem med att stänga av eller slå på strömmen i den elektriska kretsen på ett kretskort, eller förstärka den.

Vad är en fälteffekttransistor

En fälteffekttransistor är en enhet med tre eller fyra kontakter i vilken strömmen på två kontakter är justerbar elektrisk fältspänning på den tredje. Det är därför de kallas fältettor.

Kontakter:

En fälteffekttransistor med en n-p-övergång är en speciell typ av transistor som betjänar för strömkontroll.

Den skiljer sig från en enkel vanlig genom att strömmen passerar genom den utan att korsa p-n-övergångszonen, zonen som bildas vid gränserna för dessa två zoner. Storleken på p-n-zonen är justerbar.

Fälteffekttransistorer, deras typer

Fälteffekttransistorer med en n-p-övergång är indelade i klasser:

Efter typ av ledningskanal: n eller r. Tecknet, polariteten, för styrsignalen beror på kanalen. Den ska stå mitt emot n-zonen i tecken.
Enligt enhetens struktur: diffus, legerad längs p-n-övergången, med en slutare, tunnfilm.
Efter antal kontakter: 3 och 4-stift. I fallet med en 4-stiftsenhet fungerar substratet också som en grind.
Beroende på de använda materialen: germanium, kisel, galliumarsenid.

Klasserna är indelade enligt principen om drift:

anordning styrd av p-n-övergång;
isolerad grind eller Schottky barriäranordning.

Fälteffekttransistor, funktionsprincip

På ett enkelt sätt kan hur en fälteffekttransistor fungerar med en styrp-n-övergång sägas så här: radiokomponenten består av två zoner: p - övergång och n - övergång. Elektrisk ström flyter genom zon n. Zon p är en överlappande zon, en sorts ventil. Om du trycker hårt, det blockerar området för strömpassage och det går mindre. Eller, om trycket minskas, kommer mer att passera. Detta tryck utförs genom att öka spänningen vid grindkontakten i flodzonen.

En enhet med en kontroll-p-n-kanalövergång är en halvledarskiva med elektrisk ledningsförmåga av en av dessa typer. Kontakter är anslutna till plattans ändar: avlopp och källa, i mitten finns en grindkontakt. Anordningens funktion är baserad på variationen i tjockleken på p-n-övergångsutrymmet. Eftersom det nästan inte finns några mobila laddningsbärare i blockeringsområdet, är det konduktiviteten är noll. I halvledarskivan, i området som inte är under påverkan av det blockerande lagret, skapas en strömledande kanal. När en negativ spänning appliceras i förhållande till källan skapas ett flöde vid grinden genom vilken laddningsbärare strömmar ut.

I fallet med en isolerad grind finns det ett tunt lager av dielektrikum på den. Denna typ av enhet fungerar enligt principen om elektriskt fält. En liten mängd el räcker för att förstöra den. Därför, för att skydda mot statisk spänning, som kan nå tusentals volt, skapas speciella enhetshöljen - de hjälper till att minimera effekten av viral elektricitet.

Varför behöver du en fälteffekttransistor?

Med tanke på driften av komplex elektronisk utrustning, som driften av en fälteffekttransistor (som en av komponenterna i en integrerad krets), är det svårt att föreställa sig att huvudinriktningarna i hans arbete fem:

Högfrekventa förstärkare.
Basförstärkare.
Modulation.
DC-förstärkare.
Nyckelenheter (switchar).

Med ett enkelt exempel kan driften av en transistor, som en omkopplare, föreställas som att arrangera en mikrofon med en glödlampa. Mikrofonen fångar upp ljudet, vilket genererar en elektrisk ström. Den går till en låst fälteffekttransistor. Genom sin närvaro slår strömmen på enheten, slår på den elektriska kretsen som glödlampan är ansluten till. Lampan tänds när mikrofonen tar upp ljud, men den lyser på grund av en strömkälla som inte är ansluten till mikrofonen och är mer kraftfull.

Modulering tillämpas för att styra informationssignalen. Signalen styr svängningens frekvens. Modulering används för högkvalitativa ljudsignaler i radio, för att överföra ljud i tv-program, sända färg och högkvalitativa tv-signaler. Den används överallt där arbete med material av hög kvalitet krävs.

Som en förstärkare en fälteffekttransistor fungerar på ett förenklat sätt: grafiskt kan vilken signal som helst, i synnerhet en ljudserie, representeras som en streckad linje, där dess längd är tid och höjden på avbrotten är ljudfrekvensen. För att förstärka ljudet tillförs en kraftfull spänning till radiokomponenten, som får de nödvändiga frekvenserna, men med högre värden, på grund av tillförseln av en svag signal till styrkontakten. Med andra ord, enheten ritar om den ursprungliga linjen proportionellt, men med högre toppvärden.

Tillämpning av fälteffekttransistorer

Den första enheten som började säljas med en fälteffekttransistor med en kontroll-pn-övergång var hörapparat. Dess utseende registrerades på femtiotalet av förra seklet. I industriell skala användes de i telefonväxlar.

I den moderna världen används enheter inom all elektroteknik. På grund av den lilla storleken och variationen av egenskaper hos fälteffekttransistorn kan den hittas i köksapparater, ljud- och tv-utrustning, datorer och elektroniska barnleksaker. De används i larmsystem av både säkerhetsmekanismer och brandlarm.

Transistorutrustning används i fabriker för maskineffektregulatorer. Inom transport, från drift av utrustning på tåg och lok, till bränsleinsprutningssystem för privatbilar. Inom bostäder och kommunala tjänster från utskickssystem till kontrollsystem för gatubelysning.

En av de viktigaste tillämpningarna för transistorer är processorproduktion. Faktum är att hela processorn består av många miniatyrradiokomponenter. Men när de går över till driftsfrekvenser över 1,5 GHz börjar de förbruka energi som en lavin. Därför har processortillverkarna tagit vägen för flera kärnor snarare än att öka klockhastigheterna.

För- och nackdelar med fälteffekttransistorer

Fälteffekttransistorer med deras egenskaper lämnade långt bakom andra arter enheter. De används ofta i integrerade kretsar som switchar.

en kaskad av delar förbrukar lite energi;
vinsten är högre än för andra arter;
hög brusimmunitet uppnås genom frånvaron av strömflöde i grinden;
högre start- och avstängningshastighet - de kan arbeta vid frekvenser som inte är tillgängliga för andra transistorer.

lägre destruktionstemperatur än andra arter;
vid en frekvens på 1,5 GHz börjar energiförbrukningen öka kraftigt;
känslighet för statisk elektricitet.

Egenskaperna hos halvledarmaterial, som togs som grund för fälteffekttransistorer, gjorde det möjligt använda enheter i vardagen och produktionen. Baserat på transistorer skapades hushållsapparater i en form som är bekant för moderna människor. Att bearbeta högkvalitativa signaler, producera processorer och andra högprecisionskomponenter är omöjligt utan den moderna vetenskapens prestationer.

En gång ersatte transistorer vakuumrör. Detta beror på att de har mindre dimensioner, hög tillförlitlighet och lägre produktionskostnader. Nu, bipolära transistorerär grundelementen i alla förstärkningskretsar.

Det är ett halvledarelement med en treskiktsstruktur, som bildar två elektron-hål-övergångar. Därför kan transistorn representeras som två back-to-back dioder. Beroende på vad som kommer att vara de viktigaste laddningsbärarna skiljer de åt p-n-p Och n-p-n transistorer.

Bas– ett halvledarskikt, som är grunden för transistorkonstruktionen.

Sändare kallas ett halvledarskikt vars funktion är att injicera laddningsbärare i basskiktet.

Samlare kallas ett halvledarskikt, vars funktion är att samla laddningsbärare som passerar genom basskiktet.

Normalt innehåller sändaren ett mycket större antal huvudladdningar än basen. Detta är huvudvillkoret för transistorns drift, eftersom i detta fall, när emitterövergången är framåtspänd, kommer strömmen att bestämmas av emitterns huvudbärare. Emittern kommer att kunna utföra sin huvudsakliga funktion - att injicera bärare i basskiktet. De försöker vanligtvis göra emitterns backström så liten som möjligt. En ökning av emittermajoritetsbärare uppnås med användning av en hög dopämneskoncentration.

Gör basen så tunn som möjligt. Detta beror på anklagelsernas livslängd. Laddningsbärarna måste korsa basen och rekombinera så lite som möjligt med huvudbasbärarna för att nå kollektorn.

För att samlaren ska kunna samla in media som passerar genom basen mer fullständigt försöker de göra den bredare.

Transistordriftsprincip

Låt oss titta på exemplet med en p-n-p-transistor.

I frånvaro av externa spänningar etableras en potentialskillnad mellan skikten. Potentiella bommar installeras vid korsningar. Dessutom, om antalet hål i sändaren och kollektorn är detsamma, kommer de potentiella barriärerna att ha samma bredd.

För att transistorn ska fungera korrekt måste emitterövergången vara framåtspänd och kollektorövergången måste vara förspänd bakåt.. Detta kommer att motsvara det aktiva driftsättet för transistorn. För att göra en sådan koppling behövs två källor. En källa med spänning Ue är ansluten med den positiva polen till sändaren och den negativa polen till basen. En källa med spänning Uк ansluts med minuspolen till kollektorn och pluspolen till basen. Dessutom har Ue< Uк.

Under påverkan av spänningen Ue är emitterövergången förspänd i framåtriktningen. Som är känt, när elektron-hålsövergången är framåtspänd, riktas det yttre fältet motsatt övergångsfältet och reducerar det därför. Majoriteten av bärarna börjar passera genom övergången; i emittern finns det 1-5 hål och i basen finns det 7-8 elektroner. Och eftersom antalet hål i emittern är större än antalet elektroner i basen, beror emitterströmmen främst på dem.

Emitterströmmen är summan av hålkomponenten i emitterströmmen och basens elektroniska komponent.

Eftersom endast hålkomponenten är användbar försöker man göra den elektroniska komponenten så liten som möjligt. Den kvalitativa egenskapen hos emitterövergången är injektionsförhållande.

De försöker föra injektionskoefficienten närmare 1.

Hål 1-5 som har passerat in i basen ackumuleras vid gränsen för emitterövergången. Således skapas en hög koncentration av hål nära emittern och en låg koncentration nära kollektorövergången, vilket resulterar i att diffusionsrörelsen av hål från emittern till kollektorövergången börjar. Men nära kollektorkorsningen förblir hålkoncentrationen noll, eftersom så snart hålen når korsningen accelereras de av dess inre fält och extraheras (dras) in i kollektorn. Elektroner stöts bort av detta fält.

Medan hålen korsar basskiktet rekombinerar de med elektronerna som finns där, till exempel, som hål 5 och elektron 6. Och eftersom hål kommer hela tiden skapar de en överdriven positiv laddning, därför måste även elektroner komma in, som dras genom basterminalen och bildar en basström Ibr. Detta är ett viktigt villkor för driften av transistorn – koncentrationen av hål i basen ska vara ungefär lika med koncentrationen av elektroner. Med andra ord Basens elektriska neutralitet måste säkerställas.

Antalet hål som når kollektorn är mindre än antalet hål som lämnar emittern med antalet rekombinerade hål i basen. Det är, Kollektorströmmen skiljer sig från emitterströmmen med mängden basström.

Härifrån framgår det överföringskoefficient transportörer, som de också försöker föra närmare 1.

Transistorns kollektorström består av hålkomponenten Icr och den omvända kollektorströmmen.

Den omvända kollektorströmmen uppstår som ett resultat av den omvända förspänningen av kollektorövergången, så den består av minoritetsbärare av hål 9 och elektron 10. Just för att backströmmen bildas av minoritetsbärare beror den bara på den termiska genereringsprocessen, det vill säga på temperatur. Därför kallas det ofta termisk ström.

Kvaliteten på transistorn beror på storleken på den termiska strömmen; ju mindre den är, desto bättre är transistorn.

Kollektorströmmen är ansluten till emittern strömöverföringskoefficient.

Hur fungerar en transistor?

Ta en ordentlig titt på riset. 93. Till vänster i denna figur ser du en förenklad krets av en förstärkare baserad på en p-n-p transistorstruktur och illustrationer som förklarar essensen av denna förstärkares funktion. Här, liksom i tidigare figurer, avbildas hål i områdena av p-typ konventionellt som cirklar, och elektroner i området av n-typ avbildas som svarta kulor av samma storlek. Kom ihåg namnen på p-n-övergångar: mellan kollektorn och basen - kollektorn, mellan sändaren och basen - sändaren.

Ris. 93. En förenklad krets av en förstärkare baserad på en p-n-p-strukturtransistor och grafer som illustrerar dess funktion.

Mellan kollektorn och emittern finns ett batteri B k (kollektor), som skapar en negativ spänning i storleksordningen flera volt på kollektorn i förhållande till emittern. Samma krets, kallad kollektorkrets, inkluderar en belastning Rn, som kan vara en telefon eller annan enhet, beroende på syftet med förstärkaren.

Om basen inte är ansluten till någonting, kommer en mycket svag ström (tiondels milliampere) att visas i kollektorkretsen, eftersom med en sådan polaritet att ansluta batteriet B till resistansen i kollektorns p-n-övergång kommer att vara mycket stor; för en kollektorövergång kommer det att vara en omvänd ström. Kollektorkretsströmmen Ik ökar kraftigt om ett förspänningselement Bc ansluts mellan basen och emittern, som applicerar en liten negativ spänning, åtminstone en tiondels volt, till basen i förhållande till emittern. Detta är vad som kommer att hända. Med denna anslutning av element B c (det betyder att terminalerna för att ansluta källan till den förstärkta signalen, indikerade i diagrammet med tecknet "~" - en sinusvåg, är kortslutna) i denna nya krets, som kallas basen krets, en viss likström I b kommer att flyta; som i en diod kommer hål i emittern och elektroner i basen att röra sig i motsatta riktningar och ta ut, vilket gör att en ström flyter genom emitterövergången.

Men ödet för de flesta av hålen som introduceras från sändaren till basen är annat än att försvinna när de möter elektroner. Faktum är att när man tillverkar transistorer med p-n-p-strukturer görs mättnaden av hål i emittern (och kollektorn) alltid större än mättnaden av elektroner i basen. På grund av detta försvinner bara en liten del av hålen (mindre än 10%) när de möter elektroner. Huvudmassan av hål passerar fritt in i basen, faller under en högre negativ spänning på kollektorn, går in i kollektorn och, i det allmänna flödet med sina hål, rör sig till sin negativa kontakt. Här neutraliseras de av motelektroner som införs i kollektorn av den negativa polen på batteriet Bk. Som ett resultat minskar motståndet i hela kollektorkretsen och en ström flyter i den, många gånger större än den omvända strömmen i kollektorövergången. Ju större negativ spänning vid basen, desto fler hål införs från emittern i basen, desto större ström är i kollektorkretsen. Och omvänt, ju lägre negativ spänning vid basen, desto lägre ström i transistorns kollektorkrets.

Vad händer om en alternerande elektrisk signal införs i baskretsen i serie med en konstant spänningskälla som matar denna krets? Transistorn kommer att förstärka den.

Amplifieringsprocessen fortskrider i allmänhet enligt följande. I frånvaro av signalspänning flyter strömmar av en viss storlek i bas- och kollektorkretsarna (sektion O a i graferna i fig. 93), bestämt av batterispänningarna och transistorns egenskaper. Så snart en signal visas i baskretsen börjar strömmarna i transistorkretsarna att ändras i enlighet med detta: under negativa halvcykler, när den totala negativa spänningen vid basen ökar, ökar kretsströmmarna och under positiva halvcykler, när spänningarna för signalen och element B är motsatta och Därför minskar den negativa spänningen vid basen, och strömmarna i båda kretsarna minskar också. Spänning och strömförstärkning uppstår.

Om en elektrisk signal med ljudfrekvens tillförs ingångskretsen, dvs till baskretsen, och en telefon är belastningen på utgångs-kollektorkretsen, omvandlar den den förstärkta signalen till ljud. Om belastningen är ett motstånd kan spänningen som genereras över den, den alternerande komponenten av den förstärkta signalen, matas in i den andra transistorns ingångskrets för ytterligare förstärkning. En transistor kan förstärka signalen 30 - 50 gånger.

Transistorer av n-p-n-strukturen fungerar på exakt samma sätt, bara i dem är huvudströmbärarna inte hål, utan elektroner. I detta avseende bör polariteten för inkluderingen av element och batterier som försörjer baskretsarna och kollektorerna för n-p-n-transistorer inte vara densamma som för p-n-p-transistorer, utan omvänd.

Kom ihåg en mycket viktig omständighet: en konstant spänning, kallad förspänning, som öppnar transistorn, måste tillföras till basen av transistorn (i förhållande till emittern), tillsammans med spänningen för den förstärkta signalen.

I förstärkaren enligt kretsen i fig. 93 rollen för en förspänningskälla utförs av element Bc. För en germaniumtransistor med p-n-p-strukturen bör den vara negativ och uppgå till 0,1-0,2 V, och för en transistor med n-p-n-strukturen bör den vara positiv. För kiseltransistorer är förspänningen 0,5 -0,7 V. Utan en initial förspänning kommer emitter-pn-övergången att "bryta av", som en diod, de positiva (pnp-transistorn) eller negativa (npn-transistorns) halvvågor i signal, vilket gör att förstärkningen åtföljs av distorsion. Förspänningen appliceras inte på basen endast i de fall där transistorns emitterövergång används för att detektera en högfrekvent modulerad signal.

Behöver du en speciell cell eller batteri för att applicera den initiala förspänningen på basen? Självklart inte. För detta ändamål används vanligtvis kollektorbatteriets spänning, som ansluter basen till denna strömkälla genom ett motstånd. Resistansen hos ett sådant motstånd väljs ofta experimentellt, eftersom det beror på egenskaperna hos en given transistor.

I början av denna del av samtalet sa jag att en bipolär transistor kan föreställas som två rygg mot rygg plana dioder, kombinerade i en halvledarplatta och med en gemensam katod, vars roll spelas av basen av transistorn. Detta är lätt att verifiera genom experiment, för vilka du kommer att behöva använda men inte skadade germanium-lågfrekvenstransistorer av pnp-strukturen, till exempel MP39 eller liknande transistorer MP40 - MP42. Mellan kollektorn och basen på transistorn, anslut ett seriekopplat 3336L batteri och en glödlampa från en ficklampa, designad för en spänning på 2,5 V och en ström på 0,075 eller 0,15 A. Om batteriets plus är anslutet ( genom glödlampan) till uppsamlaren och minus till basen (bild 94, a), då tänds ljuset. Om batteriet slås på med en annan polaritet (bild 94b) ska lampan inte lysa.

Ris. 94. Experiment med en transistor.

Hur förklarar man dessa fenomen? Först applicerade du direkt, d.v.s. genomströmningsspänning till kollektorns p-n-övergång. I detta fall är kollektorövergången öppen, dess motstånd är lågt och likkollektorström Ik flyter genom den. Värdet på denna ström i detta fall bestäms huvudsakligen av resistansen hos glödlampans glödtråd och batteriets inre motstånd. När batteriet slogs på för andra gången tillfördes dess spänning till kollektorövergången i motsatt, icke-flödesriktning. I det här fallet är korsningen stängd, dess motstånd är högt och endast en liten omvänd kollektorström flyter genom den. För en funktionsduglig lågfrekvent lågfrekvent transistor överstiger den omvända kollektorströmmen för I KBO inte 30 μA. En sådan ström kunde naturligtvis inte värma upp glödlampans glödtråd, så den brann inte.

Utför ett liknande experiment med emitterövergången. Resultatet blir detsamma: med omvänd spänning stängs korsningen - glödlampan tänds inte, och med framåtspänning kommer den att vara öppen - glödlampan kommer att vara på.

Följande experiment, som illustrerar ett av transistorns driftlägen, utförs enligt kretsen som visas i fig. 95, a. Anslut ett 3336L batteri och en seriekopplad glödlampa mellan emittern och kollektorn på samma transistor. Batteriets pluspol måste anslutas till sändaren och minuspolen till kollektorn (genom glödlampans glödtråd). Är lampan tänd? Nej, den lyser inte. Anslut basen till sändaren med en bygelkabel, som visas i diagrammet med en streckad linje. En glödlampa ansluten till transistorns kollektorkrets kommer inte heller att tändas. Ta bort bygeln och koppla istället till dessa elektroder ett seriekopplat motstånd med en resistans på 200 - 300 Ohm och ett galvaniskt element Eb, till exempel typ 332, men så att minus på elementet är på basen och plus på utsändare. Lampan ska nu vara tänd. Vänd om polariteten för att ansluta elementet till dessa elektroder på transistorn. I det här fallet tänds inte ljuset. Upprepa detta experiment flera gånger och du kommer att vara övertygad om att glödlampan i kollektorkretsen endast tänds när det finns en negativ spänning vid basen av transistorn i förhållande till emittern.

Ris. 95. Experiment som illustrerar driften av en transistor i omkopplingsmod (a) och förstärkningsmod (b).

Låt oss titta på dessa experiment. I den första av dem, när du kopplade basen till emittern med en bygel och kortslutade emitterövergången, blev transistorn helt enkelt en diod som den omvända spänningen applicerades på, vilket stängde transistorn. Endast en liten omvänd ström av kollektorövergången passerade genom transistorn, vilket inte kunde värma upp glödlampans glödtråd. Vid denna tidpunkt var transistorn i stängt tillstånd. Sedan, genom att ta bort bygeln, återställde du emitterövergången. Genom att först slå på elementet mellan basen och sändaren satte du likspänning på sändarövergången. Emitterövergången öppnade, en likström flödade genom den, vilket öppnade transistorns andra korsning - kollektorn. Transistorn visade sig vara öppen och en transistorström flödade genom emitter-bas-kollektorkretsen, som var många gånger större än strömmen i emitter-baskretsen. Det var han som värmde upp glödlampans glödtråd. När du ändrade elementets polaritet till den omvända stängde dess spänning emitterövergången, och samtidigt stängdes också kollektorövergången. Samtidigt stannade transistorströmmen nästan (endast den omvända kollektorströmmen gick) och glödlampan tändes inte.

I dessa experiment var transistorn i ett av två tillstånd: öppen eller stängd. Transistorn växlade från ett tillstånd till ett annat under påverkan av spänningen vid basen UB. Detta funktionssätt för transistorn, illustrerad av graferna i fig. 95, a, kallas växlingsläge eller, vilket är samma sak, nyckelläge. Detta driftsätt för transistorer används huvudsakligen i elektronisk automationsutrustning.

Vilken roll spelar motståndet Rb i dessa experiment? I princip kanske detta motstånd inte existerar. Jag rekommenderade att slå på den enbart för att begränsa strömmen i baskretsen. Annars kommer för mycket likström att flyta genom emitterövergången, vilket resulterar i att termisk nedbrytning av korsningen kan inträffa och transistorn kommer att misslyckas.

Om, under dessa experiment, mätinstrument ingick i bas- och kollektorkretsarna, då med transistorn stängd, skulle det nästan inte finnas någon ström i dess kretsar. Med transistorn öppen skulle basströmmen I B inte vara mer än 2 - 3 mA, och kollektorströmmen IK skulle vara 60 - 75 mA. Det betyder att transistorn kan vara en strömförstärkare.

I ljudfrekvensmottagare och förstärkare fungerar transistorer i förstärkningsläge. Detta läge skiljer sig från omkopplingsläget genom att vi genom att använda små strömmar i baskretsen kan styra mycket större strömmar i transistorns kollektorkrets.

Funktionen av en transistor i förstärkningsläge kan illustreras med följande experiment (fig. 95, b). I kollektorkretsen för transistorn T, anslut den elektromagnetiska telefonen Tf 2 mellan basen och minus av strömkällan B - motstånd Rb med ett motstånd på 200 - 250 kOhm. Anslut den andra telefonen TF 1 mellan basen och sändaren genom en kopplingskondensator C med en kapacitet på 0,1 - 0,5 µF. Du får en enkel förstärkare som till exempel kan fungera som envägstelefon. Om din vän talar tyst framför en telefon som är ansluten till förstärkarens ingång, kommer du att höra hans samtal i telefonerna som är anslutna till förstärkarens utgång.

Vilken roll har motståndet Rb i denna förstärkare? Genom den tillförs en liten initial förspänning till basen av transistorn från batteri B, vilket öppnar transistorn och därigenom säkerställer dess funktion i förstärkningsläge. Istället för telefon TF 1 kan du slå på en pickup vid förstärkarens ingång och spela en skiva. Sedan i TF2-telefoner kommer ljudet av en melodi eller sångarens röst inspelad på en grammofonskiva att vara tydligt hörbara.

I detta experiment applicerades en alternerande ljudfrekvensspänning på förstärkarens ingång, vars källa var en telefon, som likt en mikrofon omvandlar ljudvibrationer till elektriska vibrationer, eller en pickup, som omvandlar de mekaniska vibrationerna från dess nål in i elektriska vibrationer. Denna spänning skapade en svag växelström i emitter-baskretsen, som styrde en betydligt större ström i kollektorkretsen: med negativa halvcykler vid basen ökade kollektorströmmen och med positiva halvcykler minskade den (se graferna i fig. 95, b). Signalen förstärktes, och signalen som förstärktes av transistorn omvandlades av telefonen kopplad till kollektorkretsen till ljudvibrationer. Transistorn arbetade i förstärkningsläge.

Du kan utföra liknande experiment med en transistor av en n-p-n-struktur, till exempel, typ MP35. I det här fallet behöver du bara ändra polariteten på transistorns strömförsörjning: minus ska anslutas till sändaren och batteriets plus ska anslutas till kollektorn (via telefonen).

Kort om de elektriska parametrarna för bipolära transistorer. Kvaliteten och förstärkningsegenskaperna hos bipolära transistorer bedöms av flera parametrar, som mäts med speciella instrument. Ur praktisk synvinkel bör du i första hand vara intresserad av tre huvudparametrar: den omvända kollektorströmmen I KBO, den statiska strömöverföringskoefficienten h 21E (läs som: ash two one e) och brytfrekvensen för strömöverföringskoefficienten gr .

Den omvända kollektorströmmen I KBO är en okontrollerad ström genom kollektorns p-n-övergång som skapas av transistorns minoritetsströmbärare. Parameter I för BSC kännetecknar transistorns kvalitet: ju mindre den är, desto högre är kvaliteten på transistorn. För lågfrekventa transistorer med låg effekt, till exempel typer MP39 - MP42, bör I BAC inte överstiga 30 μA, och för högfrekventa transistorer med låg effekt - inte mer än 5 μA. Transistorer med stora värden på I KBO är instabila i drift.

Den statiska strömöverföringskoefficienten h 21E karakteriserar transistorns förstärkningsegenskaper. Det kallas statisk eftersom denna parameter mäts vid konstanta spänningar på dess elektroder och konstanta strömmar i dess kretsar. Den stora (versal) bokstaven "E" i detta uttryck indikerar att när man mäter är transistorn ansluten enligt en krets med en gemensam emitter (jag kommer att prata om transistoranslutningskretsar i nästa samtal). Koefficienten h 21E kännetecknas av förhållandet mellan likkollektorströmmen och den konstanta basströmmen vid en given konstant omvänd kollektor-emitterspänning och emitterström. Ju större det numeriska värdet av koefficienten h 21E är, desto större signalförstärkning kan denna transistor ge.

Gränsfrekvensen för strömöverföringskoefficienten gr, uttryckt i kilohertz eller megahertz, gör det möjligt att bedöma möjligheten att använda en transistor för att förstärka svängningar av vissa frekvenser. Gränsfrekvensen för transistorerna MP39 är till exempel 500 kHz och transistorerna P401 - P403 är mer än 30 MHz. I praktiken används transistorer för att förstärka frekvenser som är mycket lägre än de begränsande, eftersom transistorns strömöverföringskoefficient h 21E minskar med ökande frekvens.

I praktiskt arbete är det nödvändigt att ta hänsyn till sådana parametrar som den maximalt tillåtna kollektor-emitterspänningen, den maximalt tillåtna kollektorströmmen, såväl som den maximala tillåtna effektförlusten för transistorns kollektor - effekten som omvandlas till värme inuti transistorn.

Grundläggande information om lågeffekttransistorer för massbruk finns i bilagan. 4.